绿洲效应的模拟及内外因子的敏感性实验

利用一个已发展的陆面物理过程参数化方案与大气边界层数值模式耦合,模拟了半干旱区绿洲戈壁非均匀下垫面的陆面物理过程及其与大气边界层的相互作用,成功地描绘了绿洲戈壁局地气候效应,并进行了绿洲戈壁局地气候效应对于降水、绿洲水平尺度和植被结构等若干内外因子的敏感性实验.结果表明:绿洲的最小临界尺度为5～10 km之间,最大临界尺度为55～65 km之间,而最利于绿洲维持的尺度范围为20 km左右,这一结论与我国西部地区现存的绿洲尺度统计结果十分一致;绿洲植被覆盖率为0.6左右时,最利于绿洲发展.另外对植被空间分布方式和绿洲植被组成比例上也进行了数值实验,并对影响绿洲生存和持续发展的内、外因子气候效应的影响力量级进行了分级.这些结果对于深入了解绿洲气候的形成和维持机理具有重要的意义.     

绿洲与荒漠相互影响下大气边界层特征的模拟

用发展的二维中尺度土壤－植被－大气连续体数值模式模拟了绿洲与荒漠相互影响下的大气边界层特征。得到了绿洲和临近荒漠之间的边界层高度、风螺线、风速廓线、位温廓线和比湿廓线的差别,并给出了绿洲对其上游和下游荒漠大气的不同影响。基本再现了白天绿洲大气逆温和临近绿洲的荒漠大气逆湿。模拟实验研究不仅验证了外场观测结果,而且也使我们对复杂下垫面边界层结构有了一些新的认识。     

巴州植被盖度的变化和状况评价

利用2004和2005年4￣9月250×250m分辨率Modis资料,计算了巴州绿洲区域的植被盖度。巴州2005年植被盖度与2004年同期相比,低盖度植被面积变化较大,中、高盖度植被面积相对较稳定。在低盖度植被变化中,1级负变化比较明显,说明低植被覆盖地区生态环境脆弱,植被的生长不稳定,需要加大保护力度。     

不均匀植被分布对地表面和大气边界层影响的数值试验

研究陆地与大气间相互作用的方法之一是建立联系地表面层与大气间各种过程的数值模式进行模拟。本文是建立一个陆面过程与二维大气边界层相耦合的模式,耦合模式中包含了发生在大气边界层、植被冠层和土壤表层各种动力、热力和水文过程。运用这一模式模拟了荒漠环境中一片绿洲的不均匀地表面形成的局地气候。由于绿洲植被与周围荒漠有着显著不同的水份与能量平衡关系,使绿洲表面与边界层较四周荒漠冷而湿,并形成了相应的局地环流,即所谓“绿洲效应”。试验结果表明,模拟的气候状况与观测现象是一致的。模式可以用于陆气相互作用的研究。     

稀疏植被下垫面与大气相互作用研究进展

介绍了国家自然科学基金委员会“十五”重点项目“稀疏植被下垫面与大气相互作用研究”的成果。通过资料分析、数值试验和理论分析。研究干旱地区稀疏植被复杂下垫面上水、热及CO2输运过程的机理;非均匀下垫面的复杂非线性线效应：干旱地区更合理的陆面过程参数化方案以及绿洲的稳定性;强沙尘暴的发展机制和干旱地区生态环境建设对策,主要结果表明：（1）揭示了植物生态生理过程、净第一生产力和生物量对气候的敏感性,为稀疏植被下垫面与大气相互作用研究提供了较好的接口。（2）发展了适用于干旱、半干旱地区土壤中水热输送交叉耦合的物理模型;以能量和物质守恒定律为基础的雪盖物理模型,它显著地改善了陆面过程的模拟效果,是国际上最早开发的同类模型之一。（3）发展了大气非平衡态热力学,证明了非线性区普遍成立的最小熵产生原理,为研究气候和环境复杂系统提供了新思路和新方法;提示了大气辐散和辐合运动对垂直湍流输送的影响,非均匀下垫面地气相互作用,为非均匀下垫面陆面过程参数化提供了物理基础;研究了绿洲稳定性并估算了绿洲临界尺度约3～6km,为绿洲保护和建设提供了理论依据;提出了干旱地区有限水资源条件下增强其稳定性抗干扰能力的生态环境建设对策。（4）发展了强沙尘暴发展的动力学模式,揭示了强沙尘暴发展辐射冷却的正反馈机制。展示了强沙尘暴预报的良好前景。     

WRF模式对金塔绿洲效应的数值模拟

利用美国NCAR中心的天气研究与预报模式WRF,对金塔绿洲的温度场、环流场、能量场的结构及其日变化特征进行了较为细致的模拟研究。结果表明,WRF模式能较好地模拟出非均匀下垫面上绿洲和戈壁的近地面温度、风场、净辐射、感热和潜热等要素的变化特征及日变化规律,较为完整地呈现出绿洲"冷岛效应",模拟的近地面风向和观测值吻合较好。通过对能量场的时空分析,发现下垫面的植被类型、土壤类型和土壤湿度对绿洲白天感热、潜热、土壤热通量和净辐射等有很大影响,绿洲白天净辐射峰值比戈壁大,潜热通量比感热通量大;白天大气向地面传输热量,绿洲地表获得的热通量大;而夜间地表向上传递热量,绿洲释放的热通量比戈壁大。更加细致地研究这些现象对深入了解绿洲气候的形成和维持机理具有重要的意义。     

黑河下游分水对额济纳绿洲植被恢复效果的遥感监测

利用1996、2000、2002和2006年4个时期的TM数据,计算了额济纳旗绿洲的NDVI,根据NDVI大小划分裸露地、稀疏植被区、中等植被区和茂密植被区4个等级,对比分析黑河分水前后额济纳旗绿洲NDVI的面积变化,了解黑河分水对下游植被恢复的效果。结果表明：1996～2002年,额济纳旗绿洲植被一直处于退化阶段;2006年,经过黑河连续7a的分水,下游植被得到较好的恢复,黑河下游的生态环境退化问题得到了缓解和恢复。     

西北干旱区绿洲—戈壁资料同化数据集的建立与分析

利用美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)共同开发的天气研究和预报系统WRF模式3.1版本,结合地球观测系统的中分辨率成像光谱仪EOS-MODIS反演的下垫面土地利用/植被类型资料,并同化2008年夏季金塔绿洲野外观测试验所取得的气象资料,对绿洲系统陆—气水热交换过程进行模拟,最终生成金塔高分辨率资料同化再分析数据集。此数据集包括黑河流域金塔绿洲2008年6-8月逐时水平分辨率1 km的土地利用类型、19层风温湿压、4层土壤温湿度以及地表植被覆盖、辐射分量、热通量等资料。同时,利用金塔绿洲观测期内的地表气压、地面气温和相对湿度实测值对该数据集进行初步验证,并分析了绿洲—戈壁系统的"冷湿岛效应"、平均大气环流特征和空气温湿度长期变化规律。结果表明,绿洲和戈壁下垫面的热力差异明显,绿洲和戈壁平均地表温度白天和夜间分别相差21℃和3℃;10 cm土壤温度白天最大相差17℃,并且绿洲比戈壁滞后3 h达到峰值;戈壁相对湿度比绿洲平均约低11%;白天绿洲的"冷岛效应"和"湿岛效应"影响高度平均可达2000 m和1500 m;夜间绿洲的近地层500 m以下则表现出弱的"冷岛效应";夜间绿洲上空的平均垂直气流为上升气流,白天出现大范围下沉气流,平均最大下沉气流速度可达-0.3 m·s-1。     

大气边界层动力学和植被生态过程耦合的一个简单解析理论

发展了一个大气边界层动力学和植被某些生态过程相互作用的简单模式,求得了这个耦合模式的解析解,分析了植被反照率和冠层阻抗(气孔阻力)对大气运动及植被温度的影响,这一相互作用的方式可为进一步发展大气运动和生态过程相互作用的、更复杂的数值模拟模式提供参考.     

沙漠绿洲非均匀分布引起的中尺度通量的数值模拟

为了研究大气环流模式次网格中尺度通量的参数化问题，本文发展了一个Pielke中尺度边界层与陆面过程的耦合模式，陆面过程模式中包括一个简单植被水热传输模式及一个裸土沙漠模式。利用这一耦合模式，对黑河试验区中沙漠和绿洲这种典型的非均匀下垫面进行了模拟，20多个数值试验的模拟结果表明:（1）中尺度通量在特定的情况下具有和湍流通量相当的重要性，因此，大尺度模式中对中尺度通量的参数化是十分必要的。（2）对于中尺度通量的发展存在一个明显的最优尺度和最优块数，即当绿洲尺度为60 km，3块时，中尺度通量最大。而且当块数增加到一定数目时，可以忽略非均匀效应。（3）背景风速的增大可以使中尺度通量减小；粗糙度的试验说明非均匀块之间的热力差异的减小可使中尺度通量非线性地减小。     

对民勤绿洲生态退化问题的探讨

针对位于河西走廊东北部、石羊河流域最下游的民勤绿洲近40a生态环境逐渐退化的现象,从土地荒漠化、植被死亡等方面分析了民勤绿洲退化的特点;从气候变化和人类活动等方面分析了民勤绿洲退化的原因;最后针对保护石羊河流域生态环境提出几点建议。     

气象卫星遥感监测甘肃河西绿洲植被变化

根据甘肃降水资料和农业气象资料分析得出 ,1 989和 1 998年为相似年景 ,利用 1 989年和 1 998年NOAA气象卫星AVHRR资料 ,计算分析了 1 0a来河西绿洲植被面积和植被指数等级的变化。分析结果表明 ,1 0a来河西绿洲面积呈增加趋势 ,各绿洲植被指数有不同程度的增加。     

夏季金塔绿洲风环流的数值模拟及结构分析

利用中尺度数值模式MM5，替换了模式第三重嵌套模拟域中金塔绿洲及周围地区与实际不符的植被类型，对2004年7月5日金塔绿洲效应进行了较为成功的模拟。模拟结果显示：白天绿洲是一冷源，这一现象可维持到3000m左右，临近地面沙漠绿洲温差最大，冷中心强度由低层向高层逐渐减弱；气压距平场低层为沙漠低，绿洲高，较高层则反之，转变发生在1300m。低层绿洲风盛行，随高度增加，辐散风渐弱；750hPa以上转为以背景风为主，存在向绿洲中心辐合的趋势；距平风场低层为辐散风，高层为辐合风，绿洲中部风速较小，越远离风场辐散（辐合）中心，风速越大；沙漠上为上升气流，绿洲基本上全为下沉运动所控制，但剖面图上显示绿洲上并不是只有一个闭合中心，且绿洲上、下沉运动的顶部高度也不一致，绿洲中心最低，两侧逐渐增高。最大下沉运动出现在绿洲边缘；绿洲低层分布着强度均匀的辐散区，而沙漠上则为零散辐合区，750hPa辐合区开始侵入绿洲，700hPa时绿洲基本为辐合区，绿洲边缘辐合最强，沙漠以辐散为主，分布少许辐合中心。比湿同湿位温具有相似特征，在一定高度以上，在下沉气流的作用和西风背景场的影响下等值线形成低槽形状，低槽中心从高层向低层、由西向东偏移。     

金塔绿洲小气候效应的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．6非静力平衡模式,采用三重嵌套的降尺度方法,模拟研究了夏季金塔绿洲小气候效应特征。绿洲的存在改变了沙漠地区原有的环流结构和湿度分布;绿洲边界层低,沙漠边界层较高,绿洲较低的边界层结构实际上是一个保护层,使得绿洲大气中水分保存在较低边界层中,对绿洲生态系统的发展起到了保护作用;绿洲地区感热通量小,潜热通量大;沙漠地区感热通量大,潜热通量小。通过能量和水分的非均匀分布驱动了绿洲环流,使沙漠区域产生上升气流,绿洲区域产生下沉气流。     

敦煌绿洲夏季边界层特征的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5V3．6非静力平衡模式,采用三重嵌套方法,模拟研究了沙漠绿洲的环流及边界层特征。并且与无绿洲试验进行了比较。结果表明：沙漠中的绿洲在夏季是一个冷源,地面感热通量和潜热通量与周围的沙漠地区存在较大差异。在绿洲区,感热通量小,潜热通量大;在沙漠区,感热通量大,潜热通量小。绿洲边界层顶低,沙漠边界层顶高。绿洲可以改变沙漠地区的大气稳定度,使得原来大气层结不稳定的沙漠地区出现较稳定的大气层结。沙漠绿洲改变了原有沙漠地区的环流结构及温、湿场的分布,使得在绿洲上空大气下沉,沙漠上空大气上升,从而产生了绿洲上空大气干冷,沙漠上空大气暖湿的边界特征。绿洲边缘的沙漠形成的较大的湿气柱围绕着绿洲,起到了保护绿洲的作用。沙漠绿洲低空呈现辐散气流,使得绿洲上风方的沙漠地区风速减小,绿洲下风方的沙漠地区风速增大。     

不同土壤湿度条件下绿洲边界层特征的敏感性试验

应用NCAR的非静力平衡中尺度数值模式MM5V3．6,设计了三种不同土壤湿度对金塔绿洲边界层的特征影响的敏感性试验。结果表明：土壤灌溉后地表温度和气温升温率较灌溉前有所减小。土壤湿度越大,绿洲温度越低,绿洲的“冷岛效应”越显著。绿洲灌溉后地面感热通量较灌溉前偏低,潜热通量比灌溉前高;土壤湿度越大,这种差异越显著。土壤湿度为0．35时,绿洲能够很好地表现绿洲特性,维持其自身的发展。绿洲边界层高度在灌溉前后有很大的变化。随着土壤湿度的增加,绿洲的边界层高度逐渐降低。这种较低的边界层对绿洲起到了保护作用,它将绿洲的能量与水分保存任较低的边界层中,促进了绿洲的进一步维持和发展。     

黑河绿洲区不均匀下垫面大气边界层结构的大涡模拟研究

采用RAMS模式中大涡模拟的方法,加入高分辨率的植被和土壤资料,模拟了黑河（张掖地区）不均匀下垫面条件下大气边界层演变过程。分析了模拟的地表通量、边界层的平均结构和湍流二阶量,并用黑河试验的观测资料检验了模式的模拟性能。结果表明,模拟的平均结构较好地展现了不均匀下垫面条件下边界层内从稳定层结到混合层发展,夹卷层形成,底层逆温层出现,混合层过渡到残留层等的演变过程,呈现出了从初始的稳定边界层发展到对流边界层,最后又形成夜问稳定边界层的日变化规律。湍流二阶量的分析显示,在非均匀下垫面条件下边界层内湍流二阶量的垂直分布与边界层的发展相对应,白天湍流二阶量出现两个峰值,分别位于近地层和混合层顶。与观测资料和现有研究的对比表明,RAMS中陆面模块（LEAF）地表参数不能较好地反映黑河地区的植被特征,模拟的白天地表感热和潜热通量偏小,气温白天偏低、夜间偏高,相对湿度也有偏差。     

干旱区MODS格局下绿洲生态系统对全球变化的响应

干旱区山地—绿洲—荒漠系统（Mountain-Oasis-Desert System,MODS）中的气候、水文、土壤、植被特征,直接反映了全球变化的特征。以中亚哈萨克斯坦东部及中国西部干旱区塔里木盆地南缘的且末绿洲为例,在分析干旱区MODS宏观特征的基础上,从温度与降水变化所反映的气候特征,以及景观多样性、景观优势度、景观均匀度及景观破碎度等景观指数所反映的景观特征,分析了绿洲生态系统对全球变化的响应过程。同时,从生态系统要素之间耦合关系、生态系统服务价值等方面分析了全球变化的区域响应特征,并进一步分析了绿洲生态系统的耗散机制,提出了生态系统调控的途径。     

金塔绿洲地表特征参数遥感反演研究

TM影像是陆地资源卫星（Landsat）携带的专题绘图仪（Thematic Mapper,TM）扫描计获取的遥感图像,近年来,该数据得到了广泛的应用。本文使用Landsat-5TM数据推算了金塔地区的地表参数,包括标准化差值植被指数NDVI、修正的土壤调整植被指数MSAVI、植被覆盖度、地表反射率及地表温度。并将地表反射率、地表温度的反演值与观测值进行对比,结果表明：地表温度反演结果的相对误差在9％以内,地表反射率反演结果的相对误差在8％以内。     

金塔绿洲大气边界层特征的数值模拟研究

利用美国NCAR中心的天气研究与预报模式WRF(weather Research and Forecast Model),对金塔绿洲的环流场、温度场及湿度场结构及其日变化进行了较为全面细致的模拟研究,WRF模式很好地模拟出了绿洲一沙漠环流的日变化特征和这种局地热力环流的空间结构,模拟再现了绿洲“冷岛效应”和邻近绿洲的沙漠“逆湿”等边界层特征．模拟还发州了白天绿洲湿度场“凹型槽,,式分布的特征。